船舶管系建模與虛擬裝配應(yīng)用研究

郭濤，徐軼群（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門　361021）

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船舶管系建模與虛擬裝配應(yīng)用研究

郭濤，徐軼群
（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021）

摘要：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過運(yùn)用3ds Max和Unity 3D軟件，對(duì)船舶管系進(jìn)行建模和虛擬裝配。該方法對(duì)船舶管系設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化提供了視覺上的判斷，并實(shí)現(xiàn)了通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)船舶管系裝配過程的模擬，不僅有利于船舶設(shè)計(jì)人員與實(shí)際操作工人間的溝通，還可以減少船舶生產(chǎn)中管系的廢返率，提升船廠的生產(chǎn)效率，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：船舶管系；三維建模；虛擬裝配

0　引言

在船舶的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，船舶管系的設(shè)計(jì)與裝配部分占有十分重要的位置?，F(xiàn)代大型船舶的管路系統(tǒng)有30多個(gè)，管子數(shù)量約為15 000根左右。由于管路系統(tǒng)的種類繁雜、數(shù)量較大，船舶管子的制裝過程在整個(gè)舾裝工程中占了20%以上的工作量，同時(shí)廢返率占管子總數(shù)的8%～15%[1]。有些船廠在管子入船組裝前都要提前在車間對(duì)管系進(jìn)行組裝，以此來對(duì)管系進(jìn)行干涉檢驗(yàn)等相關(guān)檢驗(yàn)。這樣的方法雖然保證了船舶管系的正常的設(shè)計(jì)與裝配，但也相應(yīng)的增加了船舶生產(chǎn)、設(shè)計(jì)的工作量，降低了船廠的生產(chǎn)效率，增加了管系的廢返率。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)船舶管系進(jìn)行建模，再對(duì)裝配過程進(jìn)行虛擬操作成為現(xiàn)實(shí)，這將有效地減少船舶生產(chǎn)、設(shè)計(jì)的工作量和管系的廢返率，提升船廠的生產(chǎn)效率。

1　船舶管路三維建模

船舶管路系統(tǒng)非常龐雜，管子與零件數(shù)量眾多。因此，在建模過程中容易造成不同種類管系混接的情況，整體建模也容易使模型太大影響到軟件的穩(wěn)定性。因此，可以按照管路的不同系統(tǒng)、不同模塊或者是不同的工藝裝配過程分別建模，建模完成后再進(jìn)行合成。由于3ds Max軟件具有良好的兼容性以及強(qiáng)大的前、后期處理能力，所以采用3ds Max對(duì)船舶管系進(jìn)行建模。

1.1船舶管系的布置

在管系建模前，首先應(yīng)明確管系的走向與布置。在管系布置時(shí)，應(yīng)該注意管系的完整性和正確性，以確保最終的模型與設(shè)計(jì)建造中的管系布置相同，同時(shí)在管系布置中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

（1）管系布置合理性。如所有的淡水管路不得通過油艙，以免管子有破損或滲漏情況發(fā)生時(shí)，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染。同樣，油管路也不得通淡水艙。燃油艙柜的空氣管、測(cè)甭管等管路應(yīng)避免通過居住艙室、貯藏艙室等相關(guān)艙室。

（2）管系布置安全性。如油管、蒸汽管和水管等，應(yīng)避免布置在配電板及其他電器設(shè)備的周圍，油管還應(yīng)避免在鍋爐、蒸汽管及廢氣管等管路的上方通過。

（3）管系布置完整性。如燃油管系應(yīng)具有燃油凈化系統(tǒng)、燃油日用系統(tǒng)和燃油輸送系統(tǒng)等，同時(shí)，管子、閥門等附件設(shè)備完備，以保證各系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行。

（4）管系布置可操作性。如裝在管路間的閥門要留出相應(yīng)的操作空間，管路之間、管路與設(shè)備之間要具有合適的距離以方便操作人員工作的進(jìn)行。

（5）管系布置可維護(hù)性。如管路與設(shè)備、艙壁等保持合適的距離以方便裝卸、檢查和維修，同時(shí)在適當(dāng)?shù)牟课粚?duì)管子及相關(guān)附件、設(shè)備等裝設(shè)放泄閥，以利于排放管內(nèi)剩余氣體或液體。

1.2船舶管系的建模

在3ds Max中進(jìn)行建模時(shí)，可將其他軟件（如Tribon，F(xiàn)oran）中所需要的可兼容模型導(dǎo)入并加以調(diào)整，再對(duì)剩余部分進(jìn)行建模。建模過程如圖1所示。

圖1　船舶管系建模流程圖

在建模過程中，由于船舶管系排布交叉、大小和形狀各異，故在不影響船舶整體性和管系完整性的情況下，可對(duì)關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。優(yōu)化的主要內(nèi)容如下：

（1）將不同長(zhǎng)度的直管簡(jiǎn)化成統(tǒng)一型號(hào)，增加建模的速率；

（2）將不同的閥門、附件等設(shè)備規(guī)定為幾種型號(hào)、規(guī)格，減少閥門和附件的建模數(shù)量；

（3）在保證不影響船舶整體空間的布置的情況下，盡可能的減少彎管的數(shù)量，同時(shí)減少管的分段數(shù)量和建模面數(shù)；

（4）整合位置較近、無材質(zhì)差別的管路模型，減少模型烘焙渲染等處理的數(shù)量。

1.3船舶管系模型合成

在管路各系統(tǒng)模型建成后，需要將各管路系統(tǒng)進(jìn)行合并。在合并前，需要確定模型間的相對(duì)位置關(guān)系，以確保各管路系統(tǒng)模型合成后在船艙內(nèi)處于正確的位置。因此，可在船體和各管路系統(tǒng)中各選擇幾個(gè)結(jié)構(gòu)特殊點(diǎn)，確定各管路系統(tǒng)的特殊點(diǎn)與相近的船體結(jié)構(gòu)特殊點(diǎn)之間的偏移方向和偏移量，再進(jìn)行管路系統(tǒng)模型的合并。

圖2　管路模型合并工作流程圖

在模型進(jìn)行合并時(shí)，應(yīng)注意如下問題：

（1）不同系統(tǒng)、不同模塊間管子及其附件的間距是否符合船舶實(shí)際要求，是否存在合并時(shí)在船體中位置不合適的情況；

（2）不同系統(tǒng)、不同模塊間管子及其附件是否存在位置重疊或部分重疊的現(xiàn)象；

圖3　局部彎管三維模型

（3）管系中的彎管和閥門等布置的位置是否合適，在合并后是否能夠滿足實(shí)際使用的需要；

（4）管系間的相對(duì)位置是否需要進(jìn)行優(yōu)化；

（5）復(fù)雜彎管、閥門及相關(guān)附件等的建模是否可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。

此外，較多的船舶管路系統(tǒng)在模型合成后不易區(qū)分，應(yīng)對(duì)不同的管路系統(tǒng)標(biāo)注不同的顏色加以區(qū)分，方便后期的檢查和裝配等工作的進(jìn)行。

圖4　燃油凈化系統(tǒng)三維模型

2　船舶管系的虛擬裝配

船舶管系在建模等上訴工作完成后，便可以對(duì)管系虛擬裝配的過程進(jìn)行分析，并選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行虛擬裝配。其目的是確保裝配過程既能夠方便操作，又可以簡(jiǎn)單明確。對(duì)場(chǎng)景效果的處理，使用了現(xiàn)階段較為流行的Unity 3D軟件完成處理。

2.1管系的安裝方式

在船舶生產(chǎn)制造過程中，較為常見的管系安裝方式有系統(tǒng)安裝法、單元組裝法和分段預(yù)裝法等。在現(xiàn)代船舶制造業(yè)中，分段預(yù)裝法因?yàn)槠錅p少了高空作業(yè)與仰裝作業(yè)的數(shù)量，有效的降低了實(shí)際工作中管系安裝的難度而被船廠廣泛的使用。因此，選用分段預(yù)裝法對(duì)船舶管系進(jìn)行虛擬裝配。

該方法可分為三個(gè)階段：第一階段是在各分段內(nèi)的艙室中安裝所需的管路；第二階段是對(duì)各分段進(jìn)行合攏，確定剩余管路的安裝位置；最后一個(gè)階段是將剩余管路安裝完畢，即全船管系合攏。

2.2管系的虛擬裝配序列

虛擬裝配序列是根據(jù)各裝配體之間的各種約束關(guān)系和相關(guān)功能確定所有部件的安裝順序，生成裝配序列，其實(shí)就是尋求裝配體適當(dāng)?shù)牟考惭b的順序，合理的裝配序列將有助于提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

現(xiàn)在幾種主要的裝配序列包括：組件識(shí)別法、裝配優(yōu)先約束關(guān)系法、知識(shí)求解法和拆卸法等裝配序列方法。由于船舶管系的裝配需要具有較強(qiáng)的實(shí)際可操作性，故采用拆卸法求解裝配序列。

拆卸法的特點(diǎn)就是“可拆可裝”，即裝配體部件的裝配過程和拆卸過程互為逆過程?？梢砸罁?jù)模型拆卸順序反演得到適當(dāng)?shù)难b配順序，這也是該方法可以應(yīng)用的一個(gè)前提條件。

2.3管系的虛擬裝配路徑

裝配路徑是零件從存放位置到安裝位置所經(jīng)過的無物理碰撞的運(yùn)動(dòng)軌跡，合適的裝配路徑既能避免裝配部件間的干涉，又能保證裝配路徑的合理性和可操作性。常用的路徑規(guī)劃方法較多，如位姿空間法、可視圖法、基于遺傳算法的路徑規(guī)劃法等，并且裝配路徑的軌跡也沒有固定的路線，所以在路徑規(guī)劃時(shí)，要根據(jù)各管路系統(tǒng)實(shí)際的情況采用不同的規(guī)劃方法和裝配路徑軌跡。

在確定以上方式及相關(guān)數(shù)據(jù)后，就可以在Unity 3D中完成管系虛擬裝配，其流程如圖5所示。

圖5　管系虛擬裝配流程圖

圖6　管系裝配路徑

2.4管系的漫游檢查

在Unity 3D中可對(duì)管系進(jìn)行漫游檢查，這可以幫助用戶更好的了解管系模型，并對(duì)其中關(guān)鍵部位進(jìn)行有效的調(diào)整。這就需要對(duì)該過程進(jìn)行腳本編輯，腳本采用JavaScript進(jìn)行編程。

漫游控制腳本程序：

function Start () {

}

function Update () {

if(GUI.Button(Rect(60，50，150，30)，"漫游檢查")

{if(Input.GetKey(KeyCode.W))

{transform.Translate(0，0，0.5*Time.del?taTime，Space.Self);

transform.Rotate(0，15*Time.deltaTime，0，Space.Self);

} / /鍵盤“W”實(shí)現(xiàn)向前移動(dòng)并以Y軸旋轉(zhuǎn)

…

if(Input.GetKey(KeyCode.P))

{transform.localEulerAngles = new Vector3(-ro?tationY，rotationX，0);

} //鍵盤“P”進(jìn)行視角轉(zhuǎn)換

if (Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") > 0)

{ if(Camera.main.fieldOfView>2)

Camera.main.fieldOfView-=2;

if(Camera.main.orthographicSize>=1) Camera.main.orthographicSize-=0.5F;

} //以鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)視角的放大

}…

if(GUI.Button(Rect(60，80，150，60)，"自動(dòng)漫游") {

if (Time.time < 15) {//沿Y軸正方向走15s

gameObject.transform.Translate(0，0.005，0，Space.Self);

}

if(Time.time >= 15&&Time.time < 30){//沿X軸正方向走20s

gameObject.transform.Translate(0.003，0，0，Space.Self);

}

if(Time.time >= 30&&Time.time < 45){//在此位置視角慢慢放大

Camera.main.fieldOfView +=0.2;

Camera.main.orthographicSize +=0.1F;

}…

}

…

}

圖7　管系漫游檢查

3　結(jié)語

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)船舶各系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真已經(jīng)逐步成為國(guó)內(nèi)造船行業(yè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向，對(duì)船舶管系裝配過程進(jìn)行虛擬仿真，有利于船舶設(shè)計(jì)人員與實(shí)際操作工人間的溝通，減少實(shí)際裝配中的錯(cuò)誤，減少船舶生產(chǎn)中管系的廢返率，提升船廠的生產(chǎn)效率，也在一定程度上優(yōu)化了船舶管系的配置，提升船舶設(shè)計(jì)的質(zhì)量。同時(shí)，該方法還可用于教學(xué)實(shí)踐中，以提升學(xué)生的認(rèn)知和理解能力。綜合來看，該方法的應(yīng)用具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］羅國(guó)榮.機(jī)艙管系的綜合布置與施工［J］.廣船科技，2000（4）：7，16-18.

［2］路慧彪.基于仿真的船舶機(jī)艙管路三維自動(dòng)布置方法研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2011.

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［5］虞臣超.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船體裝配中的應(yīng)用研究［D］.廈門：集美大學(xué)，2014.

(編輯：阮毅)

Application Research on Ship Piping System Modeling and Virtual Assembly

GUO Tao，XU Yi-qun
（Jimei University，Institute of Marine Engineering，Xiamen 361021，China）

Abstract:Based on virtual reality technology，it can make the ship piping system model and virtual assembly by using 3ds Max and Unity 3D software.The method to optimize ship piping design provides the judgment on the vision，and implemented the ship piping assembly process simulation by virtual reality technology.It is not only beneficial to communication between the ship design personnel and the actual operator，but it can also reduce the scrap rate of return in ship piping production.The method can improve shipyard production efficiency and has strong practical significance.

Key words:ship piping system；three dimensional model；virtual assembly

通訊作者簡(jiǎn)介：徐軼群，男，1963年生，碩士，教授。研究領(lǐng)域：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造，輪機(jī)工程。

作者簡(jiǎn)介：第一郭濤，男，1987年生，山西忻州人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

收稿日期：2015－05－16

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 008

中圖分類號(hào)：U664.84+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0029－04